Verbetering van infrarood spectroscopie karakterisering van organisch bodemmateriaal met spectrale aftrekken

Summary

SOM ten grondslag ligt aan veel bodemfuncties en processen, maar haar karakterisering met FTIR Infraroodspectroscopie wordt vaak uitgedaagd door minerale storingen. De beschreven methode kunt vergroten het nut van SOM analyse door FTIR spectroscopie door storingen van de mineralen in de bodem spectra met behulp van empirisch verkregen minerale referentie spectra af te trekken.

Abstract

Organisch bodemmateriaal (SOM) ten grondslag ligt aan talrijke bodem processen en functies. Fourier transformatie (FTIR) infraroodspectroscopie detecteert infrarood-actieve biologische obligaties die de organische component van de bodem vormen. Echter, de inhoud van de relatief lage gehalte aan organische stof van de bodem (vaak < 5 massapercenten) en absorptie overlapping van minerale en organische functionele groepen in het midden-infrarood (MIR) regio (4000-400 cm^-1) leidt tot aanzienlijke inmenging door dominante minerale verticaal absorptie, uitdagende of zelfs voorkomen van interpretatie van spectra voor SOM karakterisering. Spectrale aftrekken, een post-hoc wiskundige behandelingvan spectra, vermindert de minerale inmenging en resolutie van spectrale regio’s overeenkomt met organische functionele groepen door het mathematisch verwijderen van minerale verticaal absorptie te verbeteren. Dit vereist een verrijkte minerale referentiespectrum, die worden empirisch voor een bepaald bodemmonster verkregen kan doordat SOM. Het mineraal-verrijkt referentiespectrum wordt afgetrokken van het oorspronkelijke (onbehandeld) spectrum van het bodemmonster om een spectrum vertegenwoordigen SOM verticaal absorptie te produceren. Gemeenschappelijke SOM verwijdering methoden omvatten hoge-temperatuur verbranding (‘itsende’) en chemische oxidatie. Selectie van de SOM verwijdering methode draagt twee overwegingen: (1) het bedrag van de SOM verwijderd, en (2) extinctie artefacten in het mineraal verwijst naar spectrum en dus de daaruit voortvloeiende aftrekken spectrum. Deze potentiële problemen kunnen, en moet worden geïdentificeerd en gekwantificeerd om te voorkomen dat misleidend of vooringenomen interpretatie van spectra voor organische functiegroep samenstelling van SOM. Na verwijdering van de SOM, het resulterende minerale verrijkte monster gebruikt voor het verzamelen van een minerale referentiespectrum. Er bestaan verschillende strategieën standaardinteracties aftreksom afhankelijk van de experimentele doelen en kenmerken van de steekproef, met name de bepaling van de factor van de aftrekken. Het resulterende aftrekken spectrum moet voorzichtig worden uitgelegd op basis van de eerder genoemde methodologie. Voor vele bodem en andere milieu voorbeelden met aanzienlijke minerale bestanddelen, hebben aftreksom sterke potentieel te verbeteren FTIR spectroscopische karakterisering van organisch materiaal samenstelling.

Introduction

Organisch bodemmateriaal (SOM) is een klein bestanddeel door massa in meeste bodemmonsters maar is betrokken bij meerdere eigenschappen en onderliggende bodemfuncties, zoals nutriënten fietsen en carbon sequestration¹verwerkt. Karakterisering van de samenstelling van SOM is een van de verschillende manieren om SOM vorming en omzet met de rol(len) in^2,3van de functies van de bodem te koppelen. Een methode voor het karakteriseren van SOM samenstelling is Fourier transformatie (FTIR) infraroodspectroscopie, die biedt detectie van functionele groepen die vormen van organisch materiaal in bodem en andere milieu monsters (bijvoorbeeldcarboxyl C-O, alifatische C-H) ⁴. echter het nut van FTIR spectroscopie voor het openbaren van SOM functiegroep samenstelling wordt uitgedaagd door de dominante minerale component voor de meerderheid van de bodem (meestal > 95% massa) als gevolg van de sterke anorganische verticaal absorptie die uitdaging of detectie en interpretatie van biologische verticaal absorptie ernstig beperken.

Spectrale aftreksom bieden een manier om te verbeteren FTIR spectroscopische karakterisering van organisch materiaal in bodemmonsters. Aftrekken van minerale verticaal absorptie van het spectrum van de bodem kan worden gebruikt voor het verbeteren van verticaal absorptie van organische functionele groepen van belang in de analyse van de samenstelling van de SOM

(Figuur 1).

Voordelen van spectrale aftreksom over standaard FTIR-spectroscopie (d.w.z., bodem spectra) zijn:

(i) verbeterde resolutie en interpretatie van biologische absorptie banden in vergelijking met normale bodem spectra. Hoewel interpretatie van biologische bands in spectra van de bodem kan worden uitgevoerd door, ervan uitgaande dat de relatieve verschillen in absorptie als gevolg van verschillen in organische functionele groepen zijn, beperkt dit vergelijkingen met monsters met de dezelfde mineralogie en de relatief hoge SOM inhoud, en kan minder gevoelig voor veranderingen in organische banden, zelfs die weloverwogen relatief minerale-vrij (bijvoorbeeld alifatische C-H stuk)⁵

(ii) de analyse van de bodem buiten hoge SOM monsters of organische stof verrijkte extracten of breuken

(iii) wijzigingen geïnduceerd door experimentele behandelingen van mesokosmosstudie veld te markeren schalen⁶

Aanvullende toepassingen van spectrale aftreksom in FTIR analyse van SOM omvatten als aanvulling op structurele en moleculaire characterizations (b.v.NMR spectroscopie, massaspectrometrie)^5,7, identificatie van de samenstelling van SOM verwijderd door een extractie of destructieve fractionering⁸en vingerafdrukken SOM compositie voor forensische doeleinden⁹. Deze methode is van toepassing op een breed scala aan minerale organische mengsels buiten bodems, met inbegrip van sediment¹⁰, turf¹¹en^1312,kolen.

Het potentieel van spectrale weglatingen te verbeteren FTIR spectroscopische karakterisering van SOM is aangetoond door middel van voorbeelden van organische stof verwijdering te verkrijgen van minerale referentie spectra, en vervolgens met behulp van deze minerale verwijst naar spectra, uitvoeren en beoordelende ideale en niet-ideale spectrale aftreksom. Deze demonstratie is gericht op diffuse reflectie infrarood Fourier transform (KIEN) spectra verzameld in de regio Midden-infrarood (MIR, 4.000-400 cm^-1), aangezien dit een brede aanpak voor de analyse van bodem monsters⁴.

De twee voorbeeld methodes van de verwijdering van de SOM voor het verkrijgen van een verrijkte minerale referentiespectrum zijn (i) hoge-temperatuur verbranding (‘itsende’) en (ii) de chemische oxidatie, met behulp van verdunde natriumhypochloriet (NaOCl). Opgemerkt moet worden dat dit voorbeelden van algemeen werknemer SOM verwijdermethoden, in plaats van bindende aanbevelingen zijn. Andere methoden van SOM verwijdering kunnen bieden verlaagde minerale artefacten en/of verbeterde verwijdering tarieven (b.v., lage-temperatuur itsende)¹⁴. Hoge-temperatuur itsende was een van de eerste methoden gebruikt voor het verkrijgen van minerale-verrijkt referentie spectra voor uitvoeren van aftrekken, aanvankelijk voor OM verrijkte monsters afgeleid van bodems (bijvoorbeeldopgeloste organische stof, nest)^{15, 16} , gevolgd door de toepassing ervan op de bodem bulk monsters^17,18. De chemische oxidatie van voorbeeld gebruikt om de SOM is gebaseerd op de methode van NaOCl oxidatie door Anderson¹⁹beschreven. Dit werd oorspronkelijk ontwikkeld als een voorbehandeling voor het verwijderen van organisch materiaal in bodemmonsters vóór analyse van röntgendiffractie (XRD), en is onderzocht als een potentiële chemische fractionering gevoelig voor SOM stabilisatie^{20, 21}. zowel hoge-temperatuur-verwijdering en chemische oxidatie met behulp van NaOCl kunnen leiden tot artefacten van de bodem-specifieke beperkingen hebben op spectrale interpretatie die u overwegen moet bij het selecteren van een methode van SOM verwijdering^{14, 22}.

Protocol

1. Prepareer bodem niet-behandelde DRIFT spectroscopie en verwijdering van de SOM Zeef de bodem tot < 2 mm met een maaswijdte van roestvrij staal (de ' schone-aarde-breuk').Opmerking: Deze demonstratie maakt gebruik van twee bodems van soortgelijke textuur maar een bijna 3-voudig verschil in de totale SOM inhoud (tabel 1). 2. SOM verwijdering door chemische oxidatie: voorbeeld van NaOCl Breng de pH van 6% w/v NaOCl tot pH 9.5 door toevoeging van 1…

Representative Results

De methode van verwijdering van de SOM heeft zowel praktische als theoretische gevolgen voor de interpretatie van spectra van aftrekken. Bijvoorbeeld minerale wijzigingen van hoge temperatuur itsende zich als verliezen of verschijningen van pieken en/of als manifesteren kunnen verschoven of pieken in de minerale referentiespectrum verbreed. Deze spectrale artefacten zijn gevoelig voor optreden in regio’s van overlapping met organische bands op 1600-900 cm-1,22…

Discussion

De methode van het verwijderen van SOM draagt twee overwegingen: 1) het bedrag van de SOM verwijderd, en 2) extinctie artefacten in het resulterende mineraal verwijst naar spectrum. Het is gelukkig mogelijk — en aantoonbaar noodzakelijk — om te identificeren en hoeveelheid deze kwesties teneinde vooringenomen interpretaties van de samenstelling van de SOM van de resulterende aftrekken spectrum. In het ideale geval zou spectrale aftreksom dienst een alleen-minerale referentiespectrum opleveren van een spectrum van ‘pu…

Materials

Nicolet iS50 spectrometer	Thermo Fisher Scientific	912A0760	infrared spectrometer used to collect spectra
EasiDiff	Pike Technologies	042-1040	high throughput sample holder
OMNIC	Thermo Fisher Scientific	INQSOF018	software used to perform subtractions
6% v/v sodium hypochlorite	Clorox	n/a	generic store-bought bleach for oxidative removal of soil organic matter
Type 47900 Furnace	VWR International	30609-748	muffle furnace for ashing soils to removal soil organic matter
VWR Gooch Crucibles, Porcelain	VWR International	89038-038	crucibles for ashing
VWR Tube 50 mL Sterile CS500	VWR International	89004-364	for sodium hypochlorite
Forced air oven	VWR International	89511-414	for drying soils after oxidation and water washes
VersaStar pH meter	Fisher Scientific	13 645 573	for measuring pH of oxidation solution